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가스터빈 연소기 기본 설계 프로그램 개발

Preliminary Design Program Development for Gas Turbine Combustor

한국연소학회지 = Journal of the Korean Society of Combustion, v.20 no.3, 2015년, pp.27 - 34  

김대식 (강릉원주대학교 기계자동차공학부) ,  김진아 (강릉원주대학교 기계자동차공학부) ,  진유인 (국방과학연구소 제4본부)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The objective of the current study is to introduce detailed process for a preliminary combustor design, and to develop a computer code for it. The program includes various empirical and semi-empirical methodologies for diffuser deign, combustor sizing, air distribution, and sub-component design such...

주제어

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문제 정의

  • 현재의 연구는 이들 연구의 연장선상에 있는 결과물로서, 디퓨저 및 주연소 구간, 희석 구간 등 연소기의 세부 구성품 설계 방법을 정리하고, 각종 설계 이론 및 경험식을 데이터베이스화하고, 이를 바탕으로 기본 설계 프로그래밍을 완성하였다. 또한, 가상의 엔진 연소기의 입출구 조건으로부터 본 프로그램을 통하여 얻어진 연소기 기본 설계 결과를 소개하고자 한다.
  • 이러한 세 가지 중 어떠한 접근 방법이 가장 합리적인지에 대한 명확한 해답은 존재하지 않고, 설계자의 경험과 유사 연소기의 설계 데이터에 따라 방법이 정해지게 된다. 본 논문에서는 이 중, 압력손실 접근법을 간략하게 소개하고자 하고, 다른 방법에 대한 세부 정보 및 각 접근법에 따른 연소기 기준 면적의 설계 결과는 이전의 참고 문헌[5]을 참고하기 바란다.
  • 기준 면적을 구하기 위한 다양한 접근 방법이 존재하나, 크게는 1) 연소효율 접근법, 2) 압력손실 접근법, 3) 속도 가정법 등의 3가지 방법으로 요약될 수 있다. 이에 대한 세부 내용은 저자들의 이전 연구[5]에서 자세히 소개되어 있는 관계로, 본 논문에서 세부 내용에 대한 언급은 생략하고자 한다. 이러한 세 가지 중 어떠한 접근 방법이 가장 합리적인지에 대한 명확한 해답은 존재하지 않고, 설계자의 경험과 유사 연소기의 설계 데이터에 따라 방법이 정해지게 된다.

가설 설정

  • 기존의 상용 엔진들의 경우에 연소기 입출구 조건 및 연소기 세부 설계 데이터를 확보하는 것은 매우 제한적이다. 따라서 본 연구에서는 가상의 터보제트환형 연소기에 대한 임의의 입출구 조건을 Table 3[5,7]과 같이 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
특히 연소기 개발 과정의 첫 단계인 기본 설계 단계에서는 무엇이 결정되는가? 따라서 이러한 모든 인자들을 고려하여 연소기 성능 요구 조건들을 모두 만족시키는 설계를 위해서는 막대한 비용과 더불어 다양한 엔진에 대한 풍부한 사전 설계 경험이 매우 중요하게 여겨진다. 특히 연소기 개발 과정의 첫 단계인 기본 설계(preliminary design)에서는 연소기의 1차 크기 결정 및 연소기 내부의 유동 분배와 스월러 및 인젝터 선정 등 각종 세부 구성품에 대한 사양이 결정되는 단계로서, 대부분의 가스터빈 연소기 제작사 및 개발 기관은 1차원 실험식 또는 기초 이론식과 이전 엔진의 설계 경험식 기반의 프로그램을 사용한다. 이로부터 성공적인 기본 설계결과물 도출을 위해서는 다양한 경우에 대한 실험식과 각종 엔진 요구 성능 및 형상에 대한 풍부한 데이터 구축이 필수적이다.
대부분의 가스터빈 연소기 제작사 및 개발기관은 기본 설계 단계에서 무엇을 사용하는가? 특히 연소기 개발 과정의 첫 단계인 기본 설계(preliminary design)에서는 연소기의 1차 크기 결정 및 연소기 내부의 유동 분배와 스월러 및 인젝터 선정 등 각종 세부 구성품에 대한 사양이 결정되는 단계로서, 대부분의 가스터빈 연소기 제작사 및 개발 기관은 1차원 실험식 또는 기초 이론식과 이전 엔진의 설계 경험식 기반의 프로그램을 사용한다. 이로부터 성공적인 기본 설계결과물 도출을 위해서는 다양한 경우에 대한 실험식과 각종 엔진 요구 성능 및 형상에 대한 풍부한 데이터 구축이 필수적이다. 그러나 일부 교과서 상의 일반적인 내용[1-4]을 제외하고는 실제 가스터빈의 형상 데이터와 설계 과정에 대한 공개된 세부적인 기술 자료를 찾는 것은 매우 제한적이다 보니, 우리나라와 같은 상대적인 후발 진입국으로서는 기술을 내재화하기가 어려운 분야이기도 하다.
가스터빈 연소기는 무엇으로 구성되어 있는가? 1은 일반적인 환형(annular) 가스터빈 연소기의 구조를 나타낸다. 연소기는 디퓨저(pre-diffuser + dump diffuser), 돔(dome), 스월러(swirler), 연료 노즐, 라이너(liner), 점화기, 케이싱 등으로 구성되어 있다. 압축기 출구 공기의 속도는 연료의 화염 속도와 비교할 때 매우 빠른 속도로서, 이를 늦추기 위하여 혼합기가 연소실로 유입되기에 앞서서 디퓨저를 통과하게 된다.
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참고문헌 (18)

  1. Rolls-Royce, The Jet Engine, Rolls-Royce plc 2005, 75-235. 

  2. A.M. Mellor, Design of Modern Turbine Combustors, Academic Pres 1990, 343-466. 

  3. A.H. Lefebvre, and D. R. Ballal, Gas Turbine Combustion, 3rd edition, CRC Press 2010, 79-285. 

  4. J.D. Mattingly, W.H. Heiser, and D.T. Pratt, Aircraft Engine Design, 2nd edition, AIAA 2002, 3-299. 

  5. D. Kim, G.W. Ryu, K.Y. Hwang, and S.K. Min, Preliminary Design Program Development for Aircraft Gas Turbine Combustors : Part 1 - Combustor Sizing, J. Korean Soc. Combust., 18 (2013) 54-60. 

  6. D. Kim, Y.I. Jin, K.Y. Hwang, and S.K. Min, Review on the Gas Turbine Combustor Sizing Methodologies Using Fuel Atomization and Evaporation Characteristics, J. ILASS-Korea, 19 (2014) 101-108. 

  7. D. Kim, G.W. Ryu, K.Y. Hwang, and S.K. Min, Preliminary Design Program Development for Aircraft Gas Turbine Combustors : Part 2 - Air Flow Distribution, J. Korean Soc. Combust., 18 (2013) 61-67. 

  8. H.I.H. Saravanamuttoo, G.F.C. Rogers, H. Cohen, and P.V. Straznicky, Gas Turbine Theory, 6th edition, Pearson Prentice Hall 2008, 272-314. 

  9. P.P. Walsh, and P. Fletcher, Gas Turbine Performance, 2nd edition, Blackwell Publishing 2010, 191-201. 

  10. G.C. Oates, Aircraft Propulsion Systems Technology and Design, AIAA 1989, 105-168. 

  11. J.J. Gouws, Combining an One-dimensional Empirical and Network Solver with Computational Fluid Dynamics to Investigate Possible Modifications to a Commercial Gas Turbine Combustor, Master Thesis, University of Pretoria, 2007. 

  12. J.N. Murthy, Gas Turbine Combustor Modeling for Design, PhD Dissertation, Cranfield University, 1988. 

  13. B.S. Mohammad, and S.M. Jeng, Design Procedures and a Developed Computer Code for Preliminary Single Annular Combustor Design, AIAA 2009-5208, 2009. 

  14. R.W. Fox, and S.J. Kline, Flow Regime Data and Design Methods for Curved Subsonic Diffusers, J. Basic Eng., 84 (1962), 303-312. 

  15. M.R.J. Charest, Design Methodology for a Lean Premixed Prevaporized Can Combustor, Master Thesis, Carleton University, 2005. 

  16. J.D. Holderman, R. Srinivasan, E.B. Coleman, G.D. Meyers, and C.D. White, Effects of Multiple Rows and Non-Circular Orifices on Dilution Jet Mixing, J. Propulsion Power, 3 (1987) 219-226. 

  17. M.P. Boyce, Gas Turbine Engineering Handbook, 2nd edition, Gulf Professional Publishing, 2001, 370-410. 

  18. https://msdn.microsoft.com. 

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